نانوتكنولوژی انقلاب صنعتی قرن بیست و یكم

خداوند نیز در خلقت آسمانها و زمین و موجودات زنده از این تكنولوژی استفاده كرده است به گونه ای كه برخی این تكنولوژی را تكنولوژی آفرینش می نامند پیوند علم مواد , شیمی و علوم مهندسی كه نانوتكنولوژی نامیده می شود عرصه هایی را به وجود می آورد كه ماشین آلات خود تكثیركننده و محصولات خود اسمبل از اتمهای اولیه ارزان ساخته شوند نانوتكنولوژی تولید مولكولی یا به زبان ساده تر , ساخت اشیاء اتم به اتم, مولكول به مولكول توسط بازوهای روبات برنامه ریزی شده در مقیاس نانومتریك است

▪ چكیده:

قرار است نانوتكنولوژی یكی از فن‎آوری‎های كلیدی و كارآمد قرن بیست و یكم شود. قابلیت اقتصادی آن حاكی از وجود بازاری بالغ بر چند صد میلیارد یورو برای این فن‎آوری در دهه آینده است. بنابراین نانوتكنولوژی موجب جهت‎دهی بسیاری از فعالیت‎های شركت‎ها برای آماده سازی در این رقابت جدید شده است. در همین حال دولتمردان در سراسر دنیا در حال اجرای برنامه های تحقیقاتی خاص در زمینه نانوتكنولوژی هستند تا آینده‎ی كشورهای خود را به وضعیت مطلوبی برسانند.

بیش از ۴۰ سال پیش بود كه ریچارد فینمن، تكنولوژی‌ای را تجسم كرد كه با استفاده از جعبه ابزار طبیعت، اجسام را اتم به اتم یا مولكول به مولكول می توان ‌ساخت. نانو یك پیشوند علمی است كه به معنی "یك میلیاردم" است و حوزه‎ی نانوتكنولوژی در حدود میلیاردم متر است. ابعادی كه در آن اتم ها با هم تركیب شده و مولكولها روی هم اثر متقابل دارند. فرآیندهای تولید، كاركرد و كاربرد این مواد را نانوتكنولوژی گویند. نانوتكنولوژی مجموعه‌ای از شیمی و مهندسی است. شیمیدانان می‎خواهند از پایین به بالا، با كنار هم قرار دادن ملكول‌ها و اتم‎ها، سازه‌های بزرگ بسازند. مهندسان از بالا به پایین با كوچك كردن دائمی سازه‌ها مایلند به اندازه‌هایی در حد نانو دست یابند. توجه داشته باشید كه نانوتكنولوژیست‌های امروز جهان معتقد هستند كه هر ماده‌ای از نوع چوب، فلز، غذا وDNA را می‌توانند بسازند. در واقع سوال اساسی امروز توانستن نیست؛ بلكه چه موقع ساختن است.

در آغاز قرن بیستم تصور كامپیوتر، درمان بیماری‎هایی همچون سل، وباو مالاریا، خودروها و هواپیماهای فعلی، سفر به فضا، مكان‎های بسیار دوردست و زیر دریاها برای مردم عادی بسیار سخت بود. عبور از دیوار صوتی غیرممكن و بهره‌گیری از انرژی اتمی، فقط در تئوری وجود داشت. در قرن بیست و یكم هم برای عده‌ای این مطلب كه انسان روبوت‎های میكروسكپی را برای از بین بردن بیماری‎ها كاهش مرگ ومیر و افزایش طول عمر بشر خواهد ساخت، غیر قابل باور به نظر می‎رسد. شاید نتوان تصور كرد كه فولاد و مواد دیگر در كارخانجات امروزی تولید نخواهد شد. حتی نمی‎توان تصویری را در ذهن ساخت كه در یك خط مونتاژ میكروسكپی، مكعب‌هایی از DNA بر روی یك تسمه نقاله از جنس سیلیكون به اندازه ضخامت یك موی انسان، در حال حركت است و در كنار تسمه، روبوت‌ها ، ملكول‌های جداگانه‌ای را بر روی مكعب‌ها، مونتاژ می‌نمایند و سازه‌های بزرگ می‌سازند . در دو دهه‎ی اخیر شاهد اولین جرقه‌های این تجسّم بوده‌ایم و برخی نوآوری‌ها و كشفیات كلیدی در این مدّت مشاهده شده‌اند، مثلاً میكروسكوپ تونلی روبشی (Scanning Tunneling Microscope) كه می‌تواند تصویری از یك اتم واحد به ما دهد و با مهارت آن را كنترل كند، و یا خانواده‌ای از مولكول‌ها نظیر باكی‌بال‌ها و نانوتیوب ‌های كربنی را كه خواص منحصر به فردی كه در مواد بالك یافت نمی‌شود را دارند تصویر‌سازی كند و خواصشان را كنترل نماید.

بنابراین نانوتكنولوژی، امكان ساخت هر چیز قابل تصور را از كوچكترین جرثقیل‎ها و موتورها گرفته تا لایه‎های خرد اسمبل پلاستیكی یا فلزی فراهم می‎كند. نانوتكتولوژی بركلیه شئون زندگی تاثیر گذاشته، به نحوی كه زندگی در سال ۲۰۱۵ از هر منظری كه به آن نگاه كنیم با امروز تفاوت اساسی خواهد داشت و این تفاوت از تأثیر فزاینده‎ی "تكنولوژی چندرشته‌ای" ناشی می‌شود. هر چند آهنگ شتابناك توسعه و خط شكنی‌های تكنولوژیك، پیش‌بینی آینده را بی‎نهایت دشوار می‌سازد، امّا به نظر می‌رسد كه وقوع انقلاب تكنولوژی در جهان، قطعی است.

مقدمه:

● تاریخچه نانو تكنولوژی

در قرن پنجم پیش از میلاد، فلاسفه‎ی یونان معتقد بودند كه تمام مواد از ذرات بسیار ریز غیر قابل تقسیم به نام اتم تشكیل شده اند. بین اتم ها فضای خالی وجود دارد، اتم ها بسیار سخت و یك پارچه اند، و هیچ گونه ساختمان داخلی ندارند. اتم ها از نظر اندازه، شكل و وزن با هم تفاوت دارند. در سال ۱۸۰۳ جان دالتون عنوان كرد كه عناصر شیمیایی از اتم ساخته شده اند(۱). اتم‎های یك عنصر از نظر جرم با یكدیگر مساویند، اما اتم‎های عناصر متفاوت جرم‎های متفاوتی دارند. اتم‎ها تنها به صورت اعداد طبیعی و كامل یعنی مثلاً به صورت ۱ به یك و یا یك به ۲ و یا یك به ۳ یا دو به ۳ با هم تركیب می‎شوند. اتم‎ها به وجود نمی‎آیند و از بین هم نمی‎روند. در سال ۱۹۰۸ ارنست راترفورد از اشعه‎ی ایكس برای مشاهده‎ی كریستال‎ها و تعیین ساختمان بلورها استفاده نمود(۶). در سال ۱۹۱۵ مدل اتمی بوهر پیشنهاد گردید. بر اساس این مدل، اتم‎ها خود از اجزا كوچكتر شامل پروتون و نوترون در هسته‎ی اتم و الكترون در مدارهایی به دور هسته تشكیل شده‎اند(۲). در اواسط قرن بیستم انیشتین ، بوس، هایزنبرگ و دیگران نظریات متفاوتی در مورد اجزاء تشكیل دهنده‎ی اتم و رفتار و ساختمان آنها ارائه نمودند. در سال ۱۹۳۱ میكروسكوپ الكترونی اختراع گردید(۸).

در سال ۱۹۵۹ ریچارد فین من كه بعدها پدر علم نانوتكنولوژی نامیده شـد در یك سمینار برای اولین بار ایده‎ی نانوتكنولوژی را مطرح نمود(۳). ریچارد فین من اظهار داشت كه اتاقك‎های بسیار زیادی در حد بسیار كوچك وجود دارند. كاركرد و كنترل اشیاء در مقیاس بسیار كوچك قابل انجام است. می‎توان دائره‎المعارف انگلستان را در جای بسیار كوچكی به اندازه‎ی نوك یك قلم ذخیره نمود. در سال ۱۹۸۱ دركسلر اظهار داشت كه توسعه‎ی توانایی طراحی ملكولهای پروتئینی راهی برای ساخت ابزار پیچیده را فراهم می‎سازد (۴). در سال ۱۹۸۵ این دانشمند كتابی تحت عنوان موتورهای آفرینش، ظهور عصر نانوتكنولوژی را به رشته تحریر در آورد. در سال ۱۹۸۵ تا ۱۹۹۶ كارهای بسیار زیادی روی نانولوله ها و فولرین ها توسط دانشمندان مختلف صورت گرفت. در سال ۱۹۸۵ دانشمندان موفق شدند كلمهIBM رابا اتمهای گزنون برروی طلا حك نمایند (۵). با توجه به این مطالب می‎توان دریافت كه نانوتكنولوژی از سابقه‎ی بسیار دیرینه‎ای برخوردار بوده و از بنیان تئوریك محكمی برخوردار است.

این تكنولوژی طی سی سال اخیر دچار تحولات اساسی شده و بنابر پیش‎بینی دانشمندان به نظر می‎رسد طی ۳۰ تا ۵۰ سال آینده تحولاتی شگرف و بسیار بیشتر از انقلاب صنعتی، منتهی با دوستی بیشتر با طبیعت در زندگی بشر به وجود آورد.

● تعریف نانو تكنولوژی

نانومتر یك میلیاردم متر است( پهنای معادل با ۳ تا ۴ اتم). برای درك بهتر مقیاس نانو باید دانست كه قطر یك تار مو به اندازه ۱۰۰۰۰ نانومتر میباشد. مواد نانو، مولكول‎های صناعی پیچیده ای هستند كه صدها بار كوچكتر از سلولهای بدن ما می‎باشند? آنها از نظر اندازه شبیه اجزاء ماكروملكولار سلولها هستند. نانوتكنولوژی به فرآیندهای تولید، كاركرد و كاربرد مواد با اندازه های ۱/۰ تا ۱۰۰ نانومتر اطلاق میشود(۶). كار كردن در مقیاس كوچك دارای خواصی است كه در مقیاس های حتی تا هزار برابر بزرگتر وجود ندارد. این خواص منحصر به فرد در اندازه های نانو است كه توجه همه را به خود جلب نموده است.

خداوند نیز در خلقت آسمانها و زمین و موجودات زنده از این تكنولوژی استفاده كرده است. به گونه ای كه برخی این تكنولوژی را تكنولوژی آفرینش می‎نامند. پیوند علم مواد ، شیمی و علوم مهندسی كه نانوتكنولوژی نامیده می‎شود عرصه هایی را به وجود می‎آورد كه ماشین‎آلات خود تكثیركننده و محصولات خود اسمبل از اتمهای اولیه ارزان ساخته شوند. نانوتكنولوژی تولید مولكولی یا به زبان ساده‌تر ، ساخت اشیاء اتم به اتم، مولكول به مولكول توسط بازوهای روبات برنامه‌ریزی شده در مقیاس نانومتریك است. نانوتكنولوژی ساخت ابزارهای نوین مولكولی منحصر به فرد با بكارگیری خواص شیمیایی كاملا" شناخته‌شده‎ی اتمها و مولكولها ( نحوه‎ی پیوند آنها به یكدیگر) را ارائه می‌دهد(۷).

▪ چرا نانو تكنولوژی؟

برای‎ پاسخ به این‎سؤال، مشكلات اساسی بشرطی پنجاه سال‎آینده را كه ازطرف سازمان بهداشت جهانی مطرح شده و شامل موارد زیر است مورد بررسی قرارمی‎دهیم (۸):

آب، غذا، انرژی، محیط زیست، جنگ، بیماری، تحصیل، دمكراسی و جمعیت

بیش از دو سوم سطح كره‎ی زمین را آب اشغال نموده است . ولی آب مناسب در بیش از دوسوم سطح خشكیهای زمین وجود ندارد و با توجه به آلودگیهای مختلف، بسیاری از آبهای موجود به شكل دست نخورده قابل مصرف نمی‎باشند. از طرف دیگر هزینه فرآوری آبهای موجود به آب مناسب آنقدر بالاست كه برای بسیاری از دولتها فرآیند بهینه سازی آب مقرون به صرفه نمی‎باشد. اگر انسان بتواند بدون آنكه آسیبی به اكوسیستم برساند، آب مورد نیاز خود را از آبهای موجود و یا، فاضلابها تهیه نماید قطعاً به موفقیت بزرگی دست یافته است. نانولوله ها و نانوفیلتر ها و یا استفاده از نانوبیو تكنولوژی شاید در این مورد نوید بخش باشد(۹).

در حال حاضر تولید غذا در بسیاری از كشورهای جهان با هزینه های بالا صورت می‎گیرد و بسیاری از مردم دنیا حتی در كشورهای توسعه یافته، با گرسنگی دست و پنجه نرم می‎كنند. با افزایش روز افزون جمعیت طبیعتاً یكی از معضلات اساسی طی سالهای آتی تأمین غذا برای مردم دنیا می‎باشد. تولید سریع و ارزان و همچنین سالم غذا از آرمانهای انسان طی سالهای آینده است كه امید می‎رود نانوتكنولوژی با در اختیار قرار دادن مواد هوشمند موردنیاز گیاهان و یا تأمین آب و مواد معدنی در موقع نیاز و از بین بردن اختصاصی آفتها و نیز توسعه‎ی مهندسی ژنتیك به حل این معضل، كمك نماید(۱۰).

نویسنده : دكتر مریم كاظمی پور و مهدی انصاری

منابع:

۱. Glenn Fishbine, The investor’s guide to nanotechnology and micro-machines, basic concepts, ۲۰۰۳(www.glennfishbine.com).

۲. ttp://physics.about.com/cs/glossary/g/nanotechnology.htm ۳. Nanotechnology newsletter, No ۳۷. http://www.irannanotech.org

۴. Nanotechnology newsletter, No ۵۶. http://www.irannanotech.org

۵. Nanotechnology newsletter, No ۵۷. http://www.irannanotech.org

۶. Nanotechnology newsletter, No ۶۲. http://www.irannanotech.org

۷. Nanotechnology newsletter, No ۶۷. http://www.irannanotech.org

۸. Wissing S.A., Kayser O., Muller R.H., Solid lipid nanoparticles for parenteral drug delivery Advanced Drug Delivery Reviews ۵۶ (۲۰۰۴) ۱۲۵۷– ۱۲۷۲.

۹. http://newsroom.ucla.edu

۱۰. http://www.tco.gov.ir/nano

۱۱. http://physicsweb.org

۱۲. Nanotechnology newsletter, No ۲۶. http://www.irannanotech.org

۱۳. Nanotechnology newsletter, No ۲۷. http://www.irannanotech.org

۱۴. Nanotechnology newsletter, No ۶۸. http://www.irannanotech.org

منبع : كتاب مجموعه مقالات نخستین كنگره بین المللی - دانشگاه آزاد اسلامی

---